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在我看来,爱因斯坦的引力理论中最令人倾心的理念就是,几何并不只是数学的,也是物理的。尤其是,爱因斯坦的方程告诉我们,空间中包含的物质越多,弯曲得就越厉害。在这种弯曲的空间中,物体并不是沿直线运动,而是弯向有质量的物体——以一种几何的方式解释了万有引力。这开启了一种测量我们宇宙的全新方式——只需要测量一下宇宙微波背景频谱曲线中的第一个峰值!如果峰值的位置表明宇宙是平的,那根据爱因斯坦的方程,宇宙的平均密度就是10-26kg/m3,相当于每个地球大小的体积内包含10毫克物质,或者每立方米包含6个氢原子。如果第一个峰值非常靠左,密度就会变大,反之亦然。面对暗物质和暗能量所带来的困惑,测算宇宙的密度变得异常重要,所以,全世界各地的实验团队都在争先恐后地测算第一个峰值的位置。它也被认为是最容易测算的一个峰值,因为测量大斑点肯定比测量小斑点容易。
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1996年,莱曼·佩奇的学生巴斯·尼特菲尔德(Barth Netterfield)利用萨斯卡通的数据率先发表了一篇论文,让我第一次得以窥见这个饱受关注的峰值。看到这篇论文,我在心里欢呼了一声,忍不住放下满勺子的麦片,开始认真读起来。我的大脑告诉我,这个频谱峰值背后的理论非常优雅,但我内心却感到,人类的推演不可能做好这件事。3年后,莱曼·佩奇的另一位学生安伯·米勒(Amber Miller)又带头发表了一篇论文,对第一个峰值进行了更精确的测算,发现它的位置大概对应一个平坦的宇宙。但我依然不太敢相信这是真的。到了2000年4月,我终于接受了这一点。一个名为“飞去来器”的微波望远镜,悬挂于一个足球场那么大的高空气球下面,在南极上空环航了11天,终于得到了当时最精确的频谱数据。其中的第一个峰值堪称完美,刚好处于平坦宇宙的位置。于是,我们终于知道了宇宙的空间平均密度。
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“远浮于世烟云外”的暗能量
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如果把宇宙中的物质纳入考虑,这个测量结果就显得十分有趣了。根据图3-3中第一个峰值的位置,我们知道了宇宙的总量,它就好像一个“总预算”。我们也知道普通物质的密度,并通过测量宇宙聚集成团的引力效应了解了暗物质的密度。然而,普通物质和暗物质的总量加起来却只有“总预算”的32%,那剩下的68%是什么呢?一定是某种特殊的、不会聚集成团的东西,我们把它称为“暗能量”。
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图3-3 宇宙的“总预算”。宇宙微波背景频谱峰值的水平位置告诉我们,宇宙空间是平坦的,宇宙的平均密度大约是水的密度的1/1030。峰值的高度告诉我们,宇宙有32%是由普通物质和暗物质组成,所以剩下的68%一定由其他东西组成,这就是暗能量。
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下面我来请出一位重磅嘉宾——超新星。关于宇宙膨胀(而非聚集)的众多独立证据向我们证明,暗能量所占的比例不多不少,正好是68%。之前我们曾谈到,科学家用造父变星作为“标准烛光”来测量宇宙中的距离,现在,我们宇宙学家的工具箱中多了一个更加明亮的标准烛光,它在几百万光年,甚至数十亿光年外也清晰可见。这就是宇宙中的超级大爆发——Ia型超新星,它们在几秒内释放出的能量甚至超过了10亿亿个太阳。
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还记得《小星星》这首歌吗?当简·泰勒(Jane Taylor)写下歌词“远浮于世烟云外,似若钻石夜空明”(Up above the world so high, Like a diamond in the sky)时,她并不知道自己是多么有预见性——再过50亿年,当我们的太阳走到生命的尽头,它会变成一颗白矮星,那是一个主要由碳元素组成的巨球,就像钻石一样。今天,我们的宇宙中充满了白矮星,它们都是古老恒星的遗物。其中许多白矮星的重量都还在持续增加,因为它们正狼吞虎咽地从伴星那里吸取气体。当超重时(达到1.4倍太阳质量),它们就会突发恒星版的“心脏病”——变得极其不稳定,并发生超大规模的热核爆炸,这就是Ia型超新星。由于这些宇宙炸弹都拥有相同的质量,所以,它们的能量也几乎一样强大。
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此外,人们还发现,每颗Ia型超新星爆炸的能量有着轻微的差别,这些差别与爆炸的光谱以及明暗变化的速度相关,而这些因素都可以被测量。这样,Ia型超新星就变成了天文学家手中精密的标准烛光。
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索尔·佩尔穆特(Saul Perlmutter)、亚当·里斯(Adan Riess)、布莱恩·施密特(Brain Schmidt)、罗伯特·科什纳(Robert Kirshner)等人运用这种技术,精确地测量出了大量Ia型超新星之间的距离,并根据红移计算出了它们的退行速度。根据这些计算结果,他们重构出当时最精密的宇宙膨胀模型,揭示出宇宙在过去不同的时间段里不同的膨胀速度。1998年,他们宣布了一个令人惊讶的结论,并最终获得了2011年诺贝尔物理学奖,即宇宙在最初的70亿年里都在减速膨胀,但是从那之后,宇宙竟然开始加速膨胀!如果你向空中抛出一块石头,地球的万有引力会降低它远离地球的速度,然而宇宙加速膨胀却揭示出一种奇怪的“引力”,它并非吸引,而是相斥。下一章我将进一步探讨,爱因斯坦的引力理论预测到暗能量正好拥有这种反引力的作用。超新星的研究团队们发现,68%这个比例正好能和他们的观测结果完美地吻合。
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喜忧参半
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对我来说,当科学家最好玩的事情就是可以和很酷的人合作。与我合作论文最多的是一个友善的阿根廷人,名叫马蒂亚斯·扎尔达瑞亚(Matias Zaldarriaga)。我和前妻私下里给他起了个昵称叫“伟大的扎尔达”(Great Zalda),并一致认同,他的幽默感甚至超越了他的科学天赋。如果要预测图3-2中的频谱曲线,就必须用到他参与编写的计算机程序。有一次,马蒂亚斯还跟人赌一张去阿根廷的机票,只因有人说他的预测是错误的、根本没有什么峰值。
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为了给“飞去来器”团队的结果做准备,我们加快了计算速度,并构建了一个庞大的数据库,装满了用来同观测进行对比的模型。当“飞去来器”团队公开数据时,我再一次向http://arXiv.org/网站上传了一篇没写完的论文,接着,我们兴高采烈、夜以继日地工作,争取能在星期日晚上之前完成它。普通物质(也就是原子)聚集形成的物体能被暗物质毫发无伤地穿过去,所以二者在宇宙空间中的运动方式是不一样的。这意味着,普通物质和暗物质影响宇宙聚集成团和宇宙微波背景频谱曲线(见图3-2)的方式也截然不同。具体地说,在宇宙“总预算”中增加原子的数量,会降低频谱中的第二个峰值。“飞去来器”团队的频谱曲线中,第二个峰值非常微弱,我和马蒂亚斯发现,这需要宇宙中包含至少6%的普通物质才会有这样的结果。但是,第2章中提到的宇宙核聚变反应堆——也就是太初核合成只有在原子只占5%的情况下才起效果,所以,一定有哪里出错了!
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当时,我将要在阿尔伯克基市(Albuquerque)进行演讲,我在那里度过了难忘的几天。我很振奋,因为我将把宇宙泄露给我们的全新线索告诉听众。手忙脚乱中,我和马蒂亚斯差点错过上传论文的截止时间,但我们还是比“飞去来器”团队的分析论文早了一步。他们很不幸地被一台老旧的计算机给拖累了,只因为论文中一个图名长出了一个单词。
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交叉球棍在冰球比赛中可不是什么好事,但交叉检验对科学却大有裨益,因为它可以让隐藏的错误无处遁形。“飞去来器”让宇宙学家们得以有机会对宇宙“总预算”进行两次交叉检验:
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●我们用两种不同的方法测算了暗能量的比率(分别是Ia型超新星和宇宙微波背景频谱峰值),结果都是一样的。
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●我们用两种不同的方法测算了普通物质的比率(分别是太初核合成和宇宙微波背景频谱峰值),结果却不一样。所以,这两种方法中,至少有一个是错误的。
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三位圣诞老人的礼物
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一年后,在华盛顿特区的一场富丽堂皇的新闻发布会现场,我的屁股简直像粘在了椅子上,感觉就像圣诞老人来临了三次。第一个“圣诞老人”是天文学家约翰·卡尔斯特姆(John Carlstrom),他宣布了自己用南极的DASI微波望远镜发现的结果。他先讲了一段冗长的技术细节,这些我都已经知道了。接着,他公布了一张频谱曲线图,这是我当时见过的最惊艳的一张!
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接下来,“圣诞老人二号”出现了,他是来自“飞去来器”团队的约翰·鲁尔(John Ruhl)。他和卡尔斯特姆一样,也先讲了一段冗长的话。接着,又是一张令人吃惊的频谱图,包含三个峰值,和DASI的图像完美地吻合。这一次,曾经羸弱的第二峰值变大了,因为他们改进了望远镜的建模系统。
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最后,“圣诞老人三号”保罗·理查兹(Paul Richards)公布了气球实验MAXIMA的结果,与前两个结果相当一致。我简直惊呆了。这么多年里,我一直梦想着能够从微波背景中得到那些神出鬼没的线索,现在它们就近在眼前!宇宙只有几十万年历史时发生的事,像画卷一般徐徐展开在人们面前——人类想破解这个秘密,曾经听起来是多么傲慢,但现在它真的发生了!
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那天晚上,我赶紧用这些新数据重新运行了我的模型拟合软件,第二个峰值真的变高了,我的代码预测出原子的比率为5%,与太初核合成完美吻合。原子的交叉检验终于从失败的深渊爬上了胜利的顶峰,宇宙终于重新恢复了秩序,并一直保持着——到现在,WMAP探测器、普朗克卫星等对频谱曲线又进行了更精确的测量(见图3-2),我们能从中看到,原来那些早期的实验一直都是正确的。
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幸运降临
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到2003年,宇宙微波背景辐射大概是宇宙学领域最成功的故事。它成了一剂灵丹妙药,仿佛可以解决所有问题,让我们能测量出宇宙学模型中的所有关键数据。但这种看法是错误的。假设我的体重是90公斤,光靠这个信息显然不足以让你得知我的身高和胖瘦,因为这两者都是体重的决定因素——我可能又高又瘦,或者又矮又胖。我们在测算宇宙其他的重要数据时,也会遇到类似的问题。比如,那些特殊的宇宙微波背景斑点的大小与图3-2中频谱峰值的位置相对应,这些斑点的大小取决于两个因素——空间曲率和暗能量密度,前者会放大或缩小斑点,后者会影响宇宙膨胀的速度,从而影响斑点所在的等离子体与我们之间的距离,也就能影响它们看起来的大小。
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所以,尽管许多记者声称“飞去来器”团队和WMAP项目团队的实验都表明我们的宇宙空间是平坦的,但事实可能并非如此——如果暗能量的占比约为70%,宇宙就是平坦的;但如果暗能量的占比不是70%,空间就是弯曲的。除此之外,还有一些参数对无法从微波背景的数据中提取出来,比如早期宇宙中的聚团程度和第一批恒星形成的时间,这两个数据都会以相似的方式影响图3-2中的频谱曲线(都会改变峰值高度)。我们在中学课堂上就已经学到,要算出两个未知数,至少要有两个方程。在宇宙学中,我们希望确定7个未知数,但仅靠微波背景,不足以提供那么多信息。所以,我们还需要更多的宇宙测量数据,比如一个三维的星系图。
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